基于FPGA的小型足球机器人无线通信子系统的设计

基于FPGA的小型足球机器人无线通信子系统的设计
汪明;赵晓;李晓明
【摘要】The small group of soccer robot is the research target, field programmable gate array(FPGA) technology was selected as the core controller of the soccer robot,which took place of the traditional DSP and single-chip computer schemes. In order to solve the problems of poor communication state and the week anti-jamming capability in the small scale soccer robot competition environment,a kind of wireless communication design scheme was proposed,in which the wireless communications subsystem receiving module was designed by PTR4000 wireless chips and FPGA module,and it included the hardware circuit design and software realization of the communication system emitting and receiving module.Results show that this system is highly integrated, it is easy to implement,has a good performance of reliability, stability and strong anti-jamming capability.%以小型组足球机器人为研究对象,采用现场可编程门阵列(FPGA)作为小型足球机器人的主控制器,代替了传统的用单片机或DSP 作为足球机器入主控制器的设计方法.针对小型足球机器人在比赛中通信不理想,抗干扰能力较差等问题,提出了一种机器人小车上的无线通信系统设计方案,使用FPGA模块和PTR4000无线通信芯片来设计无线通信子系统的接收模块,包括通信系统发射和接收模块的硬件电路设计及软件实现.研究结果表明,该系统具有很高的可靠性和稳定性,且集成度高,抗干扰能力强,易于实现.
【期刊名称】《机电工程》
【年(卷),期】2011(028)011
【总页数】5页(P1386-1390)
【关键词】足球机器人;现场可编程门阵列;PTR4000;无线通信
【作者】汪明;赵晓;李晓明
【作者单位】浙江理工大学机械与自动控制学院,浙江杭州 310018;浙江理工大学机械与自动控制学院,浙江杭州 310018;浙江理工大学机械与自动控制学院,浙江杭州 310018
【正文语种】中文
【中图分类】TP242.6;TN92
足球机器人属于机器人的一个分支，通过制造和训练机器人来代替人类进行足球比赛。

智能足球机器人大赛是将人们喜爱的足球运动和人工智能领域多智能系统结合的产物，是由实物机器人或仿真机器人参加的足球赛，比赛规则参照国际足联制定的人类足球赛规则，并就智能足球机器人的一些特点进行了相应的修改［1］。

机器人足球赛从一个侧面反映了一个国家的信息与自动化领域的基础研究和高技术发展水平［2］。

目前，国际上有影响力的机器人足球比赛分为两大系列—FIRA和Robocup。

本研究所论述的系统所应用的F-180小型足球机器人是RoboCup活动的一部分。

小型足球机器人系统包括视觉、决策、无线通信和机器人车体4个子系统。

机器人子系统是整个系统的执行机构，其性能是比赛取胜的一个关键因素［3］。

建立一支好的球队需要精巧的设计，整合硬件及软件系统，使之具有强大的功能。

目前小型组机器人正在向更高的技术发展，其趋势表现在使用更快的处理器，试图在材
料技术上创新，人工智能和感知正在进一步发展［4］。

目前国内有几十家单位参加了机器人足球比赛的研究。

第1、第2代小型足球机器人的运动控制子系统CPU采用PIC，第3代以后采用DSP。

现阶段世界上足球机器人小车的控制系统主要基于传统的SOC系统，主控制器主要采用DSP控制，其运算速度快、成本较低。

但是这些基于SOC的设计方案在整个电路的复杂度和设计等方面存在很多的缺点，在电路方面，需要增加很多的芯片和分立元件，增大了体积，功耗较大，也不利于系统的硬件升级。

本研究采用FPGA作为主控制器，以SOPC的设计方法进行设计，嵌入NIOSⅡ处理器。

SOPC解决方案允许设计者在通用的FPGA里嵌入MCU软核以完成片上系统的集成，为现代电子产品设计带来了更大的灵活性［5］。

FPGA不仅具有体积小、运算速度快的特点，而且内部有丰富的触发器和I/O引脚，支持可擦除式编程，能够反复使用，并且它是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

本研究利用FPGA的硬件可编程的特点，将各个功能模块在FPGA内部与机器人小车的NIOSⅡ控制器进行连接，从而简化系统的设计，减小系统的体积，也便于对硬件进行修改、仿真以及系统的升级［6］。

无线通信子系统是机器人控制系统的一个重要组成部分，其通信性能的好坏将严重影响到机器人的运动和比赛的顺利进行［7］。

为了提高通信质量和通信效率应精心设计通信系统，重点是无线收发器电路的设计和通信协议的制定。

小型足球机器人无线通信子系统结构图如图1所示。

智能小型足球机器人的通信是固定在赛场边的决策主机和场上移动智能小型足球机器人之间的双向无线通信，由主机发射，智能小型足球机器人接收。

因此通信系统采用广播方式实现一对多的通信，所有机器人采用统一的通信频率，而发给不同机器人的命令则根据各自的地址码加以区分。

只有当小车上PTR4000无线通信模块
接收到与本机设定的相同的地址码时，才会认为本次数据包是发送给本机的，并开始接收后面的数据。

当PTR4000接收完数据包并经硬件CRC校验正确后，输出
高电平，FPGA就可以读取数据了。

发射器采用AT89S52单片机实现编码和对通信模块的控制。

AT89S52具有8 KB 在系统可编程Flash存储器，片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适用于常规编程器［8］。

无线通信模块选用PTR4000，PTR4000基于挪威Nordic公司推出的单片无线收发一体芯片nRF2401开发，采用全球开放的2.4GHz频道，可满足多频及跳频需要；内置硬件CRC检错；支持多点间通信，可满足GMSK调制，最高传输速率达到1Mbit/s，抗干扰能力强；低功耗1.9V~3.6 V 工作；内置2.4GHz天线［9］；可通过软件设计地址，只有收到本机地址时才会输出数据，编程也很方便。

单片机需要与计算机串口通信，选用芯片RS232收发器MAX3232进行电平转换。

单片机的工作电压是5 V，其他芯片的工作电压是3.3 V，因此在单片机与
PTR4000之间需要进行电平转换，选用稳压芯片AMS1117-3.3进行分压。

发射模块硬件电路设计图如图2所示。

接收器在每个机器人小车上，设计中采用FPGA器件作为机器人小车的主控制器，开发板选用Altera公司生产的CycloneⅡ系列芯片EP2C5Q208C8N，其硬件资
源包含有4 608个逻辑单元LE，26个M4K RAM块，119 808个RAM位，13
个嵌入式18×18乘法器，2个锁相环，最大可用I/O管脚142个［10］。

配置芯片选用EPCS1，具有1MB的存储容量，可以满足大部分程序的容量需求。

FPGA与PTR4000连接结构图如图3所示。

本研究利用QuartusⅡ的SOPCBuilder能够方便地构建一个基于FPGA的SOPC 系统，SOPC Builder的系统库中包含了一些常用的NiosⅡ外围设备等构成SOPC 系统［11］。

本研究的硬件开发采用Verilog HDL语言设计，FPGA与PTR4000
的接口电路除了SPI接口之外，还要增加一个DR输入中断；另外还包括配置接口CE、CS、PWR用来配置PTR4000的工作模式；以及用来跳频的4位拨码开关和设定机器人编号的4位拨码开关，其接口电路如图4所示。

图4中：CLK，RESET_N是NI OSⅡ处理器的时钟和复位脚；DR、MISO、MOSI、SCK 4 个管脚是 FPGA 与PTR4000的 SPI接口；CE、CS、PWR 是 PTR4000的配置接口；FRE［3..0］是4位拨码开关，用来选择比赛中我方队伍的通信频率；NUM［3..0］是4位拨码开关，用来设定机器人队员的车号。

此外，该系统设计了多种存储器，以避免可能出现的空间不够情况，也便于后续升级对存储空间的需求。

包括：增加SDRAM，如果软件程序超过了FPGA所能定
制的最大RAM容量，可以把程序放在SDRAM中运行；增加Flash，如果程序超过了配置芯片EPCS1的容量，则程序可以保存在Flash中。

SDRAM芯片选用
HY57V641620，容量为 8 MB；Flash芯片选用AM29LV160，容量为 2MB。

FPGA外围电路结构图如图5所示。

无线通信程序主要是指与PC串口相连的无线发射器和连接在足球机器人上的无线接收器。

PTR4000配置接口由CS、CE、PWR组成，控制PTR4000的4种工作
模式：配置模式，发射/接收模式，待机模式，掉电模式。

发送或接收数据由DATA、CLK1、DR1 3个接口作为通道，其中DR1仅在接收模式下使用，输出中断信号。

系统上电后，MCU首先对系统进行初始化配置。

配置过程主要有：对寄存器变量初始化，设置波特率、开启中断，对SPI接口进行初始化；MCU开始配置
PTR4000模块，通过对 CS、CE、PWR的设置把PTR4000模块设为配置模式，
然后通过通道1的DATA、CLK1将配置数据输入PTR4000。

配置完成后，MCU 通过配置模式将PTR4000设为接收模式，设定CE=1，PTR4000进入工作模式。

当上位PC机通过串口发送数据包时，系统进入中断服务子程序。

首先MCU通过
串口通信接收上位机的数据包，保存在MCU存储空间；如果没有全部接收完，继续接收数据；全部接收后，对数据进行编码、封装，并把接收的数据标志位置为高电平。

在主程序中，系统处于中断等待状态，每次循环都检测接收数据标志位。

若检测到高电平，本研究设定CE=0，PTR4000启动内部处理并通过发射天线将数据发送
出去。

全部数据发送完成后，本研究将接收数据标志位设为低电平。

接收器在每个机器人小车上，机器人小车内核芯片采用FPGA控制，通过
PTR4000接收的数据直接进入FPGA，由FPGA解码，从而做出决策和控制信号。

接收器流程图如图6所示。

机器人小车通过无线通信系统接收上位机发送的指令，当收到的标识与本机标识一致，则开始接收后面的数据。

当PTR4000接收完数据包并经硬件CRC校验正确后，会在其DR1引脚输出中断指示，并通过DATA、CLK1引脚送出相应的数据
及同步时钟，触发FPGA中断读取数据，小车执行该命令。

为了调试该系统无线通信模块硬件设计方案是否正常运行，测试的方法是用主机控制FPGA主控板上的两个LED灯交替闪烁。

实验原理：添加软核NISO II，构建一个简单的SOPC系统，在CPU里面运行控
制程序，使两个LED灯交替闪烁。

主机通过发射器发送数据10或01，接收器将
接收到的数据保存，并驱动LED。

发送数据10时，LED0亮；发送数据01时，LED1亮。

实验过程：在QuartusⅡ里对工程进行编译，下载线USB-Blaster连接到Flash
下载口下载，如图7所示。

下载线用USB-Blaster下载，下载模式为AS模式，下载进度是100%，说明下载成功。

下载信息如图8所示，表明下载成功。

实验结果表明：无线通信功能是正常的。

本研究采用新型无线通信系统，不仅能满足机器人比赛中无线通信的要求，且能增加比赛系统的稳定性，有利于机器人小车在足球比赛中发挥更好的性能。

本研究主要介绍用FPGA设计小型足球机器人无线通信部分架构，以及FPGA外围部分电路结构。

目前小型足球机器人运动控制系统已经升级到第五代，即采用FPGA作为运动控制子系统的CPU。

但是对于足球机器人整个底层电路部分，想要实现基于FPGA的SOPC系统设计，还需要作更进一步的研究与探讨。

【相关文献】
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